铅渣煤基直接还原—磁选选铁试验*

杨慧芬 张 露 马 雯 王传龙

(北京科技大学土木与环境工程学院)

煤基直接还原技术不仅在铁精矿生产海绵铁上应用普遍，在世界钢铁工业飞速发展和国际社会对环境保护日益重视的今天，还被用以研究从难选铁矿石和高铁固体废物回收铁［1］。朱德庆［2］对超微细粒贫赤铁矿、王静静［3］对云南混合型铁矿石、谢桦［4］和Li Y L［5］分别对不同铁品位的高磷鲕状赤铁矿、马兰等［6］对红土镍矿、J.W.Park 等［7］对热轧污泥、杨慧芬等［8-9］对提钒尾渣和铜渣、Liu W C［10］和黄柱成［11］分别对高铁赤泥、杨合等［12］对包头稀土尾矿均进行了煤基直接还原—磁选选铁试验研究，并都取得了较为理想的指标。因此，煤基直接还原—磁选工艺为从难选铁矿石和高铁固体废物中回收铁开辟了一条重要途径。本试验开展从铅渣中采用煤基直接还原—磁选工艺回收铁的研究。

1 试验原料

试验所用铅渣为云南澜沧某铅矿有限公司的水淬铅渣，颗粒状，4～0.5 mm粒级占95%左右，主要化学成分分析结果见表1。

表1 铅渣主要化学成分分析结果 %

从表 1 可见，铅渣中 Fe、Cu、Pb、Zn含量均很高，有综合回收利用价值;铅渣碱度为1.01，属中性渣，在煤基直接还原过程中可不添加任何调渣剂。

经XRD、SEM－EDS分析，铅渣中多数矿物呈非晶态，组成非常复杂，可鉴定出的晶态矿物包括Cu、Pb、Zn、Fe的氧化物、硫化物、硅酸盐及其复合物、合金等，主要晶态矿物有(Cu，Fe)S2，Fe3S4，ZnS，FeO，Ca3FeSi3O12等。铅渣中 Cu、Pb、Zn 矿物粒度多在几微米，硫化铁粒度可达10 μm，但常常包裹Cu、Pb、Zn硫化物。因此，采用常规选矿方法难以回收铅渣中的 Cu、Pb、Zn、Fe。

虽然还原气氛不利于以硫化物形式存在的铁的还原，但由于该铅渣硫化铁较低，因此，用煤基直接还原—磁选工艺处理该铅渣，对铁的回收率影响不大。

试验所用还原煤为澜沧煤，工业分析结果见表2。

表2 还原煤工业分析结果 %

从表2可见，该还原煤灰分和硫含量均较低，固定碳含量较高，属优质还原剂。

2 试验方法

将50 g铅渣与一定量的－3 mm还原煤混匀，装入坩埚，置于一定温度的SXZ－10－13型马弗炉中焙烧一定时间，取出后自然冷却，磨至一定细度后用磁选管进行1粗1精弱磁选得金属铁粉，分析、计算铁品位和回收率。

用XRD技术对铅渣、最佳焙烧条件下的焙烧产物以及金属铁粉进行分析，用SEM－EDS技术比对铅渣、最佳焙烧条件下焙烧产物的微观形貌和成分。

3 试验结果与讨论

3.1 焙烧条件试验

3.1.1 还原煤用量试验

还原煤用量(与铅渣的质量比)试验的焙烧温度为1 200℃、焙烧时间为40 min、焙烧产物磨矿细度为－74 μm占90%、弱磁粗选及精选的磁场强度分别为180 kA/m和64 kA/m，试验结果见图1。

从图1可见，金属铁粉的铁品位受还原煤用量的影响不显著，但金属铁粉的铁回收率先随还原煤用量的增加而快速升高，当还原煤用量增至铅渣质量的30%后趋稳。综合考虑，确定还原煤用量为铅渣质量的30%。

图1 还原煤用量对金属铁粉指标的影响

3.1.2 焙烧温度试验

焙烧温度试验的还原煤用量为铅渣质量的30%、焙烧时间为40 min、焙烧产物磨矿细度为－74 μm占90%、弱磁粗选及精选的磁场强度分别为180 kA/m和64 kA/m，试验结果见图2。

图2 焙烧温度对金属铁粉指标的影响

从图2可见，随着焙烧温度的升高，还原铁粉的铁品位和回收率均呈先快速上升后走平的趋势。综合考虑，确定焙烧温度为1 200℃。

3.1.3 焙烧时间试验

焙烧时间试验的还原煤用量为铅渣质量的30%、焙烧温度为1 200℃、焙烧产物磨矿细度为－74 μm占90%、弱磁粗选及精选的磁场强度分别为180 kA/m和64 kA/m，试验结果见图3。

图3 焙烧时间对金属铁粉指标的影响

从图3可见，在试验时间范围内，金属铁粉的铁品位和回收率先不同程度上升而后走平。综合考虑，确定焙烧时间为40 min。

3.2 磨选条件试验

3.2.1 磨矿细度试验

焙烧产物磨矿细度试验的还原煤用量为铅渣质量的30%、焙烧温度为1 200℃、焙烧时间为40 min、弱磁粗选及精选的磁场强度分别为180 kA/m和64 kA/m，试验结果见图4。

图4 焙烧产物磨矿细度对金属铁粉指标的影响

从图4可见，随着磨细度的提高，金属铁粉的铁品位上升、铁回收率下降。综合考虑，确定焙烧产物的磨矿细度为－74 μm占83.92%。

3.2.2 精选磁场强度试验

精选磁场强度试验的还原煤用量为铅渣质量的30%、焙烧温度为1 200℃、焙烧时间为40 min、焙烧产物的磨矿细度为－74 μm为83.92%，粗磁选磁场强度为180 kA/m，试验结果见图5。

图5 精选磁场强度对金属铁粉指标的影响

从图5可见，随着弱磁精选磁场强度的提高，金属铁粉的铁品位呈先缓后快的下降趋势，而铁回收率明显上升。综合考虑，确定弱磁精选的磁场强度为56 kA/m，对应的金属铁粉的铁品位为93.68%、铁回收率为77.59%。

4 铅渣处理前后XRD、SEM分析

4.1 XRD分析

对铅渣、最佳焙烧—磨矿—磁选条件下的焙烧产物、金属铁粉进行XRD分析，结果见图6。

图6 铅渣、焙烧产物、金属铁粉的XRD图谱

从6可见，铅渣中晶态矿物很少，主要为非晶态矿物;焙烧产物的主要衍射峰与铅渣的衍射峰存在显著差异，铅渣的主要衍射峰在焙烧产物中已不可见，而焙烧产物中出现了较强的、铅渣中没有的金属铁的衍射峰，说明铅渣中的含铁矿物经煤基直接还原转变成了金属铁;焙烧产物中的金属铁为强磁性物质，经磨矿、磁选而富集，因而在金属铁粉的XRD图谱上表现出强而纯的金属铁衍射峰。

4.2 SEM－EDS分析

铅渣中的含铁矿物经煤基直接还原转变成了强磁性的金属铁，但这些金属铁能否实现高效回收，与生成金属铁的颗粒粒度及与渣相的镶嵌关系密不可分，因此，对铅渣及焙烧产物中的微观形貌和成分进行了SEM－EDS分析，所得SEM照片见图7。

图7 铅渣及焙烧产物的SEM照片

从图7可见，铅渣和焙烧产物的微观形貌差别很大。进一步的EDS分析表明，铅渣中大量分布的深灰色物质主要为含铁硅酸盐矿物，粒度多在几十微米;而零星分布的浅灰色物质主要为铜铅锌的氧化物、硫化物及其合金等，它们的颗粒粒度更小，多数在几微米，因而铅渣很难实现单体解离。焙烧产物中亮色区域与深色区域界线分明，集中连片，进一步的EDS分析表明，亮色区域主要为金属铁，深色区域主要为硅酸盐类脉石及其包裹的铜铅锌矿物，分别对应图6中的金属铁衍射峰和非晶态矿物衍射峰;金属铁颗粒较粗大，粒度多在50 μm以上，因而焙烧产物单体解离较容易，弱磁选回收效果较好。

上述XRD和SEM－EDS分析结果从微观上论证了煤基直接还原—磁选工艺是从高铁铅渣中回收铁的有效工艺。

5 结论

(1)煤基直接还原—磁选可高效回收高铁铅渣中的铁。在还原煤用量为铅渣质量的30%、焙烧温度为1 200℃、焙烧时间为40 min、直接还原产物磨矿细度为－74 μm占83.92%、1粗1精弱磁选磁场强度分别为180、56 kA/m的条件下，可获得铁品位为93.68%、铁回收率为77.59%的金属铁粉。

(2)XRD和SEM－EDS分析结果表明，煤基直接还原可使铅渣中粒度细微、嵌布关系复杂、磁性弱的含铁矿物转变成粒度粗大、与渣界限分明、磁性强的金属铁，为弱磁选分离创造了有利条件。

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